novembre 30, 2021

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Les astrophysiciens révèlent la plus grande simulation de l’univers jamais réalisée – comment la gravité a façonné la distribution de la matière noire

Pour comprendre comment l’univers s’est formé, les astronomes, AbacusSummit, ont créé plus de 160 simulations de la façon dont la gravité façonne la distribution de la matière noire.

Le nouveau réseau de simulation cosmique est le plus grand jamais produit, enregistrant collectivement près de 60 000 milliards de particules.

L’ensemble de simulation, appelé AbacusSummit, sera utile pour extraire les secrets de l’univers à partir des prochaines études de l’univers, s’attendent ses créateurs. Ils présentent AbacusSummit dans plusieurs articles de recherche récemment publiés dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

AbacusSummit est le produit de chercheurs du Flatiron Institute (CCA) Center for Computational Astrophysics (CCA) à New York et du Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian. Composé de plus de 160 simulations, il décrit comment les particules de l’univers se déplacent en raison de leur gravité. Ces modèles, connus sous le nom de simulations à N corps, capturent le comportement de la matière noire, une force mystérieuse et invisible qui représente 27 % de l’univers et n’interagit que par gravité.

Comment la gravité a façonné la répartition de la matière noire

La collection d’AbacusSummit comprend des centaines de simulations de la façon dont la gravité façonne la répartition de la matière noire dans l’univers. Ici, une photo de l’une des simulations est montrée à une échelle de grossissement de 1,2 milliard d’années-lumière. Les simulations reproduisent les structures à grande échelle de notre univers, telles que la toile cosmique et les amas massifs de galaxies. Crédit : Équipe AbacusSummit ; Planification et conception : Lucy Reading-Ikanda

déclare Lehman Garrison, auteur principal de l’un des nouveaux articles et chercheur associé au CCA.

Garrison a dirigé le développement des simulations de comptoir avec l’étudiante diplômée Nina Maksimova et le professeur d’astronomie Daniel Eisenstein, qui travaillent tous deux au Center for Astrophysics. Des simulations ont été effectuées sur un supercalculateur du département américain de l’Énergie à l’Oak Ridge Leadership Computing Facility dans le Tennessee.

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De nombreux relevés spatiaux produiront des cartes de l’univers avec des détails sans précédent dans les années à venir. Ces dispositifs spectroscopiques d’énergie noire comprennent (DESI), le télescope spatial romain Nancy Grace, l’observatoire Vera Sea Robin et la sonde Euclid. L’un des objectifs de ces missions à gros budget est d’améliorer les estimations des paramètres cosmologiques et astrophysiques qui déterminent le comportement et l’apparence de l’univers.

Les scientifiques effectueront ces estimations améliorées en comparant les nouvelles observations à des simulations informatiques de l’univers avec différentes valeurs pour différents paramètres, tels que la nature de l’énergie noire qui sépare l’univers.

AbacusSummit profite de l'informatique parallèle

Le compteur tire parti du traitement informatique parallèle pour accélérer considérablement ses calculs sur la façon dont les particules se déplacent en raison de leur gravité. L’approche de traitement séquentiel (en haut) calcule l’attraction entre chaque paire de particules une par une. Le traitement parallèle (en bas) répartit plutôt le travail sur plusieurs cœurs de calcul, permettant de calculer simultanément plusieurs interactions de particules. Crédit : Lucy Reading-Ikkanda Foundation/Simons

« La prochaine génération d’études cosmologiques cartographiera l’univers de manière très détaillée et explorera un large éventail de questions cosmologiques », déclare Eisenstein, co-auteur des nouveaux articles du MNRAS. Mais profiter de cette opportunité nécessite une nouvelle génération de simulations numériques ambitieuses. Nous pensons qu’AbacusSummit sera une étape audacieuse pour la synergie entre le compte et l’expérience. « 

Le projet d’une décennie était intimidant. Les calculs à N corps – qui tentent de calculer les mouvements d’objets, tels que les planètes, interagissant avec la gravité – ont été le défi numéro un dans le domaine de la physique depuis l’époque d’Isaac Newton. L’astuce vient de l’interaction de chaque objet avec tout autre objet, quelle que soit sa distance. Cela signifie que lorsque vous ajoutez plus de choses, le nombre d’interactions augmente rapidement.

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Il n’y a pas de solution générale au problème à N corps pour trois corps massifs ou plus. Les calculs disponibles ne sont que des estimations approximatives. Une méthode courante consiste à figer le temps, à calculer la force totale agissant sur chaque objet, puis à pousser chaque élément en fonction de la force totale qu’il subit. Ensuite, le temps avance un peu et le processus se répète.

En utilisant cette approche, AbacusSummit a traité un grand nombre de particules grâce à un code intelligent, une nouvelle méthode numérique et une grande puissance de calcul. Le supercalculateur Summit était le plus rapide au monde au moment où l’équipe a effectué les calculs ; Toujours l’ordinateur le plus rapide des États-Unis

L’équipe a conçu la base de code de Summit AbacusSummit – appelée Abacus – pour tirer pleinement parti de la puissance de traitement parallèle de Summit, où de nombreux calculs peuvent être effectués simultanément. En particulier, Summit dispose de plusieurs GPU, ou GPU, qui excellent dans le traitement parallèle.

L’exécution de calculs à N corps à l’aide d’un traitement parallèle nécessite une conception d’algorithme minutieuse, car l’ensemble de la simulation nécessite une grande quantité de mémoire pour le stockage. Cela signifie que le compteur peut non seulement faire des copies de la simulation pour les différents nœuds du supercalculateur sur lesquels travailler. Au lieu de cela, le code divise chaque simulation en une grille. Le calcul initial fournit une bonne approximation des effets des particules distantes à un moment donné de la simulation (qui jouent un rôle beaucoup moins important que les particules proches). Le compteur regroupe et sépare ensuite les cellules voisines afin que l’ordinateur puisse travailler sur chaque groupe indépendamment, en combinant des approximations de particules distantes avec des calculs précis de particules proches.

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« L’algorithme de compteur s’adapte bien aux capacités des supercalculateurs modernes, fournissant un modèle de calcul très régulier pour le parallélisme massif des GPU partagés », explique Maximova.

Grâce à sa conception, le compteur atteint des vitesses très élevées, rafraîchissant 70 millions de particules par seconde et par nœud du supercalculateur Summit, tout en analysant les simulations au fur et à mesure de leur exécution. Chaque particule représente une masse de matière noire 3 milliards de fois la masse du Soleil.

« Notre vision était de créer ce code pour fournir les simulations nécessaires à cette toute nouvelle étude de galaxie spécifique », explique Garrison. « Nous avons écrit le code pour rendre les simulations beaucoup plus rapides et précises que jamais. »

Eisenstein, membre de la collaboration DESI – qui a récemment commencé son étude pour cartographier une partie sans précédent de l’univers – se dit impatient d’utiliser le compteur à l’avenir.

« La cosmologie fait un bond en avant grâce à la fusion interdisciplinaire d’observations étonnantes et de l’informatique moderne », dit-il. « La prochaine décennie promet d’être une époque fascinante dans notre étude du balayage historique de l’univers. »

Référence : « Abacus Top : énorme collection deSanté, High-resolution N-body simulation » par Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose et Thomas P. Satterthwaite, 7 septembre 2021, mNotifications périodiques de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab2484

Parmi les autres co-auteurs d’Abacus Summit et d’Abacus figurent Sihan Yuan de l’Université de Stanford, Philip Pinto de l’Université de l’Arizona, Sunak Boss de l’Université de Durham en Angleterre et le Centre de recherche en astrophysique Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite et Douglas Ferrer. Des simulations ont été effectuées sur le supercalculateur Summit dans le cadre de la mission Advanced Computing Challenge pour la recherche en informatique scientifique.